Архитектурные особенности процессоров цифровой обработки информации.

Причиной, обуславливающей построение специализированных процессоров цифровой обработки информации, является тот факт, что алгоритмы для таких процессоров, используются итеративно, хорошо разработаны и обладают многими характеристиками, которые можно использовать для достижения более эффективного их выполнения.

Имеются две характерные особенности алгоритмов обработки сигналов:

1. Наиболее типовой арифметической операцией, которая должна выполняться, является

, (*)

где x_i - выборки данных или промежуточные результаты, а a_i - коэффициенты обработки.

2. Число операций ввода/вывода относительно мало по сравнению с числом арифметических операций.

Эти особенности означают, что основная нагрузка падает на арифметичекое устройство (АУ), и поэтому необходимо проектировать АУ, которое выполняло бы операции типа суммирования произведений (*) достаточно эффективно.

Другим важным параметром является скорость передачи данных, определяемая количеством слов, передаваемых в секунду, между памятью и АУ.

Скорость передачи между памятью и АУ и скорость работы АУ должны быть согласованы, иначе одно устройство будет бездействовать, пока другое работает.

ВМ состоит из множества элементов таких, как сумматоры, умножители, запоминающие устройства, управляющая логика и т.д. Структура ВМ определяет способ взаимосвязи элементов между собой, цепи передачи данных при организации взаимодействия между различными аппаратурными единицами.

Структурная схема простейшей ЭВМ приведена на рис.7.1.

Рис. 7.1. Структурная схема простейшей ЭВМ.

Из рисунка видно, что основными устройствами являются: память, которая хранит программу и данные, устройство управления и арифметическое устройство. Устройства связаны между собой с помощью двунаправленных шин. Устройство управления коммутирует цепи передачи информации между устройствами для любого момента времени. Программа содержит последовательность команд, размещенных в памяти в соседних ячейках. Формат команд определяют два поля. Первое поле содержит код выполняемой операции (КОП), а второе поле содержит адрес операндов.

Все арифметические операции выполняются путем обмена между памятью и аккумулятором, а результат остается в аккумуляторе. Перечень команд обычно ограничен.

Более тщательное рассмотрение ВМ требует ее дополнения устройствами считывания из памяти или записи в память информации от внешних устройств. Для этого необходимо ввести один или более регистров, называемых входными регистрами, которые могут загружаться или считываться информацией от внешних устройств по собственным командам.

Выполнение большинства команд типовой ЭВМ осуществляется в течение 4-х основных циклов. Это, во-первых, цикл приема команды, во-вторых, цикл декодирования кода операции, в-третьих, цикл выборки операнда из памяти в арифметическое устройство и, в-четвертых, цикл выполнения арифметической операции.

Если операция выполняется изредка и если, скорость обработки не является важной характеристикой, то время ее выполнения не является критичным. Если же, наоборот, для конкретного применения преимущественно используется данная операция, то приведенный выше выбор структуры вычислительной машины не является целесообразным. В этом случае необходимо проектировать специализированную вычислительную машину, которая выполняла бы требуемую операцию в одной команде.

Таким образом соответствие между выбранной структурой ВМ и структурой реализуемых на ней алгоритмов определяет эффективность выполнения последних.

В процессе проектирования специализированных вычислительных машин для цифровой обработки информации необходимо выбирать их структуру из условия наибольшего соответствия алгоритмам цифровой обработки информации (например, формирования суммы произведений вида (*)). Это соответствие подразумевает выбор системы команд, исходя из операций, требуемых при программировании алгоритмов цифровой обработки на ЭВМ. Оно также означает выбор соответствующей схемы связей различных аппаратурных блоков, которая позволила бы эффективно выполнять выбранные команды за минимальное число машинных циклов.

Кроме того, т.к. скорость обработки и передачи данных является важным фактором, структура ЭВМ должна выбираться из условия обеспечения параллелизма на различных этапах выполнения различных команд.

Дата добавления: 2015-11-14